霍洛湾煤矿二水平清污分流排水系统设计

孙智宇

(陕煤集团神南产业发展有限公司，陕西 榆林 719300)

0 引言

榆神矿区地处中国西北部，处于毛乌素沙漠边缘，地方干旱少雨且地下水资源分布极不平衡，自然形成的水资源相对匮乏、生态环境脆弱。因此综合有效的利用地下水资源，极大地实现地下水、地表水处于基本平衡状态，不但是企业可持续发展的关键所在，也是企业应尽的责任与义务。霍洛湾煤矿二水平开采时，矿井正常涌水量为365.28 m3/h，最大涌水量为547.92 m3/h。其中正常涌水量中清水210 m3/h、污水155.28 m3/h，最大涌水量中清水365.9 m3/h、污水182.02 m3/h。同时考虑到地面矿井污水处理厂能力仅为180 m3/h，若按传统设计思路，地面污水处理厂能力需要扩建至365.28 m3/h能力，投资约为1 500万元，况且征地难度较大。本次二水平中央排水系统采用清、污分流方式设计，实现清水井下复用，污水去地面污水处理厂设计思路，节约了污水处理厂投资，实现了地下水综合利用。

1 现状与排水方案

1.1 排水系统现状

霍洛湾矿井划分为2个水平进行开采，一水平大巷布置在2-2煤层，二水平大巷布置在3-1煤，一水平负责2-2上及2-2煤开采，二水平负责3-1上及3-1煤开采。目前霍洛湾煤矿正在一水平二盘区开采2-2煤，待2-2煤开采完毕后，一水平同时回采完毕，接续二水平一盘区开采。目前一水平中央水泵房及递接水泵房主要负责全矿井开采过程中的总排水任务。

一水平中央排水泵房位于主斜井井底附近，辅运平硐井底附近设有递接排水泵房，共同担负一水平的排水任务。现有的一水平中央排水泵房内安装4台150TSWA×3型矿用耐磨排水泵，出两趟D219排水管路。递接排水泵房内安装3台MDA280-43×3型矿用耐磨排水泵，出两趟D219排水管路。正常涌水时，一台工作，两台备用，一台检修，管路一趟工作，一趟备用；最大涌水时，两台工作，两台检修/备用，管路两趟工作。

排水路线为一水平中央水泵房(替接水泵房)→行人斜井(辅运平硐)→地面→辅运平硐场地井下水处理厂调节池。

1.2 二水平排水方案

矿井涌水量主要是来自上覆2-2煤层采空区水和生产期间产生的污水，对上覆2-2煤层采空区清水进行提前打钻孔疏放。据此预计正常涌水量中清水210 m3/h、污水155.28 m3/h，最大涌水量中清水365.9 m3/h、污水182.02 m3/h。

结合矿井现有地面污水处理厂能力、二水平开拓布置及二水平一盘区采空区积水量，确定二水平开采初期矿井涌水主要以疏放水(清水)为主。为了减轻地面污水处理厂负荷，设计二水平工作面涌水采用清污分离方式排放，其中31101～31104工作面及31109～31112工作面开采期间的涌水可分别通过顺槽内敷设的清、污排水管路与主运大巷内敷设的清、污水管路对接，然后直接排至二水平中央水仓的清水仓和污水仓；31106及其它工作面的涌水可先排至一盘区清、污水仓，经一盘区排水泵房加压后再经过大巷内敷设的清、污水管路分别排至二水平中央水仓的清水仓和污水仓。矿井清、污水通过暗副斜井、辅运平硐直接排到地面井下污水处理厂调节池。

2 二水平中央水泵房设备

2.1 排水设备选择

方案一：选用MD280-43×3型矿用耐磨排水泵6台，水泵额定流量为280 m3/h，扬程129 m，配防爆电动机YB3-315L-4-160 kW、电压等级660 kV，电机转速1 488 r/min。泵房出三趟D273×7 mm无缝钢管。泵房水泵及配套管路工作制度为：正常涌水量时，水泵两台工作(一台排清水一台排污水)、两台备用、两台检修，管路两趟工作、一趟备用；最大涌水量时，水泵3台工作、3台备用/检修，管路三趟工作。

方案二：选用BQ275-153/4-180W-S型矿用潜水电泵6台，水泵额定流量为275 m3/h，扬程153 m，配防爆电动机功率180 kW、电压等级660 V，电机转速2 875 r/min。泵房出三趟D273×7 mm无缝钢管。泵房水泵及配套管路工作制度为：正常涌水量时，水泵两台工作(一台排清水一台排污水)、两台备用、两台检修，管路两趟工作、一趟备用；最大涌水量时，水泵3台工作、3台备用/检修，管路三趟工作。

方案三：选用IS150-100-380-C型单级恒压离心泵6台，水泵额定流量为260 m3/h，扬程151m，配防爆电机功率185 kW、电压等级660 V，电机转速2 950 r/min。泵房出三趟D273×7 mm无缝钢管。泵房水泵及配套管路工作制度为：正常涌水量时，水泵两台工作(一台排清水一台排污水)、两台备用、两台检修，管路两趟工作、一趟备用；最大涌水量时，水泵3台工作、3台备用/检修，管路三趟工作。

方案比选：排水设备选型方案技术经济比较见表1。经过综合技术经济比较可知，方案一和方案三的水泵均具有汽蚀性能好，运行平稳可靠，均可满足矿井排水需要。但方案一所选水泵综合费用相对较低且从水泵的轴功率、扬程、年电耗量及设备总投资方面考虑方案一的综合排水效率明显优于方案二及方案三；方案二所选水泵为潜水电泵，泵房硐室施工较为简单，但设备投资费用较高，检修不方便；方案三所选水泵为恒压单级离心泵，水泵扬程不会因为水泵出口流量变大而压力变小，但水泵相对报价过高，且水泵市场使用率较小；因此从节能降耗及设备稳定性等因素综合考虑，故设计推荐采用方案一。

2.2 推荐方案的选型计算

排水设备能力：排水量QB污水=1.2×210=252 m3/h；排水量QB清水=1.2×365.9=439 m3/h。

根据计算所得，当流量为252 m3/h、管路公称管径为250 mm(壁厚为7 mm)时，流速为1.4 m/s，水力坡度为i=0.012 7。

则水泵必须的扬程为HB=L×i+HC=1 800×0.012 7×1.1+93+5=122.146 m。

式中：HB—水泵的必须扬程，m；L—单趟管路的长度，m；I—水力坡度，i=0.012 7；HC—测地高度，m。选取的水泵的水泵及管路特性曲线如图1所示。

管路阻力系数(考虑新管和结垢后的管路)：从图1水泵及管路特性曲线中，可知新管时，扬程H=127.5 m；旧管时，扬程H=134.6 m。

水泵运行工况点：水泵运行工况点参数表，见表2。

表1 排水设备选型方案技术经济比较表

表2 水泵运行工况点参数表

图1 水泵特性曲线及管路特性曲线

电动机容量的计算：

=151.03 kW

=138.2 kW

离心泵选择用防爆电动机YB3-4160 kW、电压等级660/1 140 V，电机转速1 488 r/min。

校验水泵的稳定性：需满足0.9H0>HC条件，式中H0—DIU零流量时的扬程，代入得：0.9×129=116.1>HC=93 m，可见满足要求。

排水管路壁厚的计算：排水管路选择为无缝钢管，D273管路计算壁厚为5.1 mm，选择壁厚7 mm；排水管路为三趟D273×7无缝钢管。

2.3 排水管路敷设

大巷排水管路布置：根据二水平涌水量预计数据，设计在二水平辅运大巷和回风大巷各敷设一趟D108的临时排水管路，在胶运大巷敷设一趟D159临时排水管路，3条大巷淋水通过大巷临时设置的小潜水泵(功率45 kW，流量100 m3/h，扬程80 m)直接将水排至二水平中央水泵房污水仓或一盘区污水仓。在二水平主运大巷敷设三趟D245主排管路(其中一趟排清水一趟排污水、一趟备用)，主要负责二水平一盘区工作面的排水任务，其中31101～31104工作面及31109～31112工作面可直接排至二水平中央水泵房清、污水仓，31105及其它工作面涌水先统一排到一盘区清、污水仓，再通过一盘区水泵房排水设备将水直接排入二水平中央水泵房清、污水仓；最终由二水平中央水泵房的主排水设备将中央水仓水统一排放至地面井下水处理厂。中央水泵房出三趟D273管路，其中一趟负责清水外排、一趟负责污水外排，另外一趟作为备用管路。

顺槽排水管路布置：根据二水平涌水量预计数据并结合矿井现有管路库存情况，设计在31101回风顺槽敷设一趟D219管路、一趟D159管路及一趟D108管路，其中D219管路和D159管路分别作为工作面的主排水管路(一趟排清水一趟排污水)，出顺槽后与大巷管路对接后直接排入二水平中央水泵房清、污水仓；设计在31102回风顺槽敷设一趟D245管路、一趟D159管路及一趟D108管路，其中D245管路和D159管路分别作为工作面的主排水管路(一趟排清水一趟排污水)，出顺槽后也分别与大巷管路对接后直接排入二水平中央水泵房清、污水仓； 31101回风顺槽及31102回风顺槽的D108管路分别作为顺槽的清水收集管路；同时在31101运输顺槽敷设一趟D108管路作为顺槽的临时污水排水管路。

管路排水路线：工作面涌水→顺槽排水管路→一盘区水仓→一盘区水泵房→二水平主运大巷主排管路→二水平中央水仓→二水平中央水泵房→暗副斜井→辅运平硐→地面井下水处理厂污水池或清水调节池。

2.4 排水系统功能

清污分流：井下排水系统实现了清、污分流排水。

强排水系统：在二水平中央水泵仓附近设有矿井强排系统，配电系统设计在地面10 kV变电所，当矿井发生水害险情时，可通过调度实际远程控制。

自动控制：PLC自动化控制系统根据水仓水位的高低、井下用电负荷的高、低峰和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时间段等因素，建立数学模型合理调度水泵，根据实际情况先后开启水泵、或者同时开启多台水泵，并且做到出现险情时能及时报警。

设备自检功能：主要设备提供自检功能，上位机程序对设备故障进行报警。设备的主要故障类型实现报警提示，帮助运行人员诊断设备故障。

故障诊断功能：系统提供故障诊断功能，通过实时监测排水压力、真空负压、排水流量、电压和电流参数的变化实现对水泵不上水、压力不足、排水效率降低、启动负荷大、轴承过热等故障的诊断，降低系统故障时间。另外系统设检修闭锁功能。

潜水电泵自我保护功能：当潜水电泵因水位下降而不能工作时，可通过潜水电泵吸水口处的跳闸水位控制系统自动断电，实现水泵自我保护。

3 结语

排水系统设计从工作面至中央水泵房均采用清、污分流排水系统，既解决了地面污水处理厂能力不足问题，同时又实现了清水在井下直接复用，其多余水排至地面后不用处理，直接作为地方企业生产、生活用水或直接排入地方自然河流，不但可以作为沿线农田的灌溉用水，也可以作为下游河流及水库的补水水源。此系统设计不但大大减少了排水环节，而且节约了近1 500万元的污水处理厂改扩建投资。目前此系统设计己在神东矿区及陕煤矿区普遍推广，得到了较好的社会评价。